碳還原氧化銅反應裝置改進及實驗探究

潘宏宜　陳雪萍

摘要：針對教材中“木炭還原氧化銅”實驗的不足，根據(jù)影響化學反應速率的外在因素，采取交互式控制單一變量的科學探究法，從炭粉的選擇、反應物的質(zhì)量比、加熱方式、反應容器規(guī)格等方面，開展實驗改進探索，獲得較好的實驗結果。同時將探索的創(chuàng)新成果應用于課堂，以此提升學生的實驗思維和實驗素養(yǎng)。

關鍵詞：木炭與氧化銅反應；實驗裝置改進；紫紅色銅塊；實驗探究

文章編號：1005-6629（2018）1-0071-05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1問題的提出

在人教版九年級《化學》上冊第六單元課題1“金剛石、石墨和C₆₀”中，為了探究碳單質(zhì)在高溫下能與某些氧化物反應，以此構建氧化還原反應的相關狹義概念，為后續(xù)鐵的冶煉、高中氧化還原反應的學習打下基礎，教材第110頁設計了一套實驗裝置（圖1）。由于該反應是固相反應，對溫度等反應條件要求比較高，按該裝置做實驗，其效果并不好，主要體現(xiàn)在石灰水變渾濁與黑色固體變成暗紅色的進程不對稱，且經(jīng)成分分析，暗紅色固體更多的是氧化亞銅，并非是銅單質(zhì)。在教學實踐中，不少同仁也對該實驗進行了探索改進，但實際教學中，教師普遍反映效果不佳，究其原因主要有：（1）對反應物加工要求高。如需要粉粹機粉碎藥品、烘干機烘干等；（2）實驗儀器要求高。如需要酒精噴燈、石英試管、擋風板等；（3）藥品要求嚴格。如藥品氧化銅需指定用上海勤工化工廠生產(chǎn)的分析純等；（4）實驗時間過長等。能否利用普通學校都能達到的簡單條件如普通的藥品、常規(guī)的試管、常見的酒精燈、簡便的操作就能達到理想的實驗效果？為此，開展了以下探索工作。

2原理的分析

由此計算得出：

理論分析表明該反應程度很大，但實際操作中，實驗結果并不理想，這不是熱力學的緣故，而是動力學上的障礙，即存在反應速率緩慢的問題，若改變影響該反應速率的外在因素，如溫度、反應物顆粒大小、反應物之間的接觸面積等，促成該反應一旦產(chǎn)生，反應過程中產(chǎn)生大量的熱可以為后續(xù)反應提供一定的能量基礎，那么反應就會快速進行，從而有效地熔化銅粒（銅的熔點為1083%），產(chǎn)生銅塊，真正實現(xiàn)該反應。

3實驗改進

3.1不同的加熱方式

教材第110頁的實驗說明中指出：把剛烘干的木炭粉末和氧化銅粉末混合均勻，小心地鋪放進試管里。采取傳統(tǒng)的試管口略向下傾斜藥品平鋪的加熱方式，沒有得到較好的效果，那能否將試管豎直加熱，讓酒精燈火焰完全包圍藥品，藥品之間也能更充分地接觸，這樣“聚熱”效果是不是更好呢？我們采用木炭粉與氧化銅質(zhì)量比為1：11，總混合物質(zhì)量為1.3g；試管規(guī)格均為18mm×180mm；一個為試管豎直加熱，一個為試管口略微向下傾斜加熱進行對比探究。對比結果如表2所示。

3.2不同的炭粉

一般中學能提供的藥品比較有限，所以選擇了常見的碳單質(zhì)——木炭粉和活性炭粉的對比。木炭粉是將普通的木炭塊用錘子盡可能敲碎后，在研缽里研磨大約5分鐘成細小顆粒狀即可，待和氧化銅粉末按一定比例混合后再沿著一個方向進行研磨6～7次；活性炭粉選擇分析純粉末；碳單質(zhì)與氧化銅的質(zhì)量比為1：10；試管規(guī)格均為18mm×180mm；均采取試管豎直加熱方式。對比結果如表3所示。

3.3反應物的不同質(zhì)量比

根據(jù)計算，木炭粉和氧化銅的理論質(zhì)量比在1：13左右，因為考慮有部分木炭粉會和試管內(nèi)的空氣反應，需要過量，所以選擇對比探究木炭粉與氧化銅的質(zhì)量比分別在1：9～1：13之間，粉末混合物總質(zhì)量控制在1～2.5g之間；試管規(guī)格仍均為18mm×180mm；均采取試管豎直加熱方式。對比結果如表4所示。

3.4不同規(guī)格的反應容器

試管規(guī)格的不同，其試管壁的厚度有所不同，且固體接觸的緊實度也會有所不同，于是分別采用常見的15mm×150mm、18mm×180mm、20mm×200mm不同規(guī)格的普通硬質(zhì)試管做對比；木炭粉與氧化銅的質(zhì)量比均為1：12，粉末混合物總質(zhì)量為1.3g；均采取試管豎直加熱方式。對比結果如表5所示。

3.5數(shù)據(jù)的分析處理

從上述控制不同變量得到的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析可得：（1）活性炭與氧化銅反應效果差，現(xiàn)象不明顯且僅有少量磚紅色粉末產(chǎn)生；而木炭粉與氧化銅反應效果好，產(chǎn)生明顯的紅熱現(xiàn)象與紫紅色銅塊。（2）木炭粉與氧化銅不同質(zhì)量比對實驗效果影響較大，木炭粉與氧化銅比例為1：10～1：12效果較好，且將混合物總量控制在1.0～2.0g之間時，反應速率較快。（3）相比于傳統(tǒng)的試管口略向下傾斜的固體加熱方式，將試管豎直進行加熱，酒精燈火焰能夠更好地包圍藥品，反應物也能更充分地接觸，聚熱效果更好，反應更加有效地進行。（4）試管規(guī)格對于反應的情況影響較小，15mm×150mm規(guī)格的試管管壁較薄，無法承受反應時產(chǎn)生的高溫，試管底部容易破裂；使用18mm×180mm規(guī)格的試管比20mm×200mm規(guī)格的試管得到的固體產(chǎn)品更具有金屬光澤。

3.6進一步需要說明的注意點

（1）分別將木炭粉和氧化銅粉末在蒸發(fā)皿里加熱烘干約1～2分鐘，烘干過程不斷用藥匙翻炒；尤其木炭粉不宜加熱過長，若出現(xiàn)發(fā)紅現(xiàn)象，應立即停止。

（2）待藥品冷卻后，按一定的質(zhì)量比稱好，為了讓木炭粉與氧化銅更充分地接觸，將它們放入同一研缽內(nèi)，輕輕地沿著一個方向?qū)⒎勰┻M行研磨6～7次，研磨過程中，用藥匙攪拌混合均勻。

（3）酒精燈里的酒精純度可選擇濃度為90%以上的酒精，以保證酒精燃燒有足夠的熱量。

3.7實驗改進結果

綜上比較，確定了實驗改進的最終方案（裝置如圖2）：

木炭粉與氧化銅比例為1：10～1：12，混合物總質(zhì)量控制在2.0g左右，使用18mm×180mm規(guī)格的試管作為反應容器，采取試管豎直加熱的方式，用酒精燈加上網(wǎng)罩利用外焰加熱。改進后的實驗具備如下優(yōu)點：（1）反應物加工要求低。選擇普通的木炭塊在研缽研磨成粉，然后放在蒸發(fā)皿進行簡單的加熱烘干，氧化銅也只需要在化學藥品店容易購買的普通分析純粉末，用同樣的方法在蒸發(fā)皿進行簡單的加熱烘干，烘干后的藥品放在試劑瓶里密封保存，可多次使用。（2）儀器要求簡單。只需普通的試管和加上普通網(wǎng)罩的酒精燈。（3）操作簡便。（4）反應時間短、實驗現(xiàn)象明顯。加熱后，不到2分鐘，黑色固體就出現(xiàn)了紅熱現(xiàn)象，澄清石灰水變渾濁，待固體冷卻后，呈現(xiàn)有金屬光澤的紫紅色銅塊。（5）實驗安全可靠，能進行學生分組實驗。

4課堂應用

課堂教學中，首先利用教材的裝置進行演示，不理想的實驗效果引發(fā)他們進一步探究的欲望；然后引導學生根據(jù)化學反應條件的影響因素，進行不同變量的討論和對比實踐探究，不僅有助于學生進一步認識到化學反應條件是復雜的，同時又是可控的，通過外界條件的控制能影響到化學反應的實現(xiàn)，形成“控制反應條件”的意識，有利于學生在控制單一變量的科學探究中，養(yǎng)成嚴謹求實、勇于探索、不斷創(chuàng)新的科學品質(zhì)。這對于學生構建科學知識、認識科學方法、養(yǎng)成科學態(tài)度等科學素養(yǎng)的提升起到一定的促進作用。endprint